JP4664967B2 - シリコン鋳造装置およびシリコン基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、周方向に分割されるとともに水冷された導電性の銅坩堝（以下、「冷却坩堝」という）を用いた電磁鋳造技術を適用し、シリコン太陽電池基板に使用される多結晶インゴットを製造するシリコン鋳造装置およびこれを用いたシリコン基板の製造方法に関するものである。

電磁誘導を用いた連続鋳造（以下、「電磁鋳造」という）による鋳造装置では、電気伝導度の高い銅からなる冷却坩堝が金属材料を溶解保持するようにるつぼ形状に配置され、誘導コイルが冷却坩堝を取り囲むように配置されて構成されている。この誘導コイルに中高周波の交流電流を印加すると、これに誘導される交流磁場により、冷却坩堝に保持される金属材料中に電流が誘発され、溶解加熱されるとともに、溶融金属を半径方向の内側に押す力が発生する。このようにして、溶融金属には冷却坩堝から離間する作用とともに、攪拌作用が働くことになる。

したがって、電磁鋳造では、溶解された物質と冷却坩堝との間で接触がなく、シリコンの鋳造に利用した場合に、シリコンの不純物汚染を防止することができる。また、溶解された物質と冷却坩堝との間で接触がないことから、坩堝の長寿命化が図れるとともに、溶解された物質を固化するための鋳型を必要としないことから、設備コストを著しく低下することができる。また、結晶学上も冷却坩堝の底部および側壁から結晶化が進行するので、方向性凝固が容易である。このため、電磁鋳造で製造される多結晶シリコンインゴットは、ウェーハに切り出されて、シリコン太陽電池の基板材として広く使用されている。

このため、電磁鋳造法は従来からシリコンの鋳造に対して適用されており、例えば、特公平２−５８０２２号公報では、冷却坩堝の内側形状について、誘導コイルの下端位置を基準にしてそれよりも下方においては下広がりの形状を付与することによって、鋳造されるシリコンの接触磨耗による汚染と電気的接触による電気系統の障害を除く装置が、また、特許第２６５７２４０号公報では、凝固シリコンの引き下げ路に沿って冷却坩堝の下方に加熱手段を設置するシリコン鋳造装置が開示されている。

図１は、電磁鋳造による多結晶シリコンインゴットを鋳造する全体構成を説明する図である。チャンバー１は、内部の発熱から保護されるように二重壁構造で水冷式の密閉容器になっており、上部に密閉手段２によって仕切られた原料装入装置１０と連結され、底部にインゴットを抜き出すための引出し口３を有している。チャンバー１には上部側壁に不活性ガス導入口４および下部側壁に真空吸引口５が設けられている。

チャンバー１の中央部には電磁鋳造手段としての冷却坩堝６、誘導コイル７および加熱炉８が設けられている。冷却坩堝６は銅製の水冷筒体で、上部を残して周方向に複数分割されている。誘導コイル７は、冷却坩堝６の外周側に同芯に周設され、図示されていない同軸ケーブルにて電源に接続される。加熱炉８は、冷却坩堝６の下方に同芯に連設され、冷却坩堝６から引き下げられる凝固インゴット１２を加熱して、その軸方向に所定の温度勾配を与える。

チャンバー１内に設けられた密閉手段２の下方には原料装入装置１０が設けられ、原料装入装置１０内に装入された粒状、塊状のシリコン材料９が冷却坩堝６内の溶融シリコン１１に供給されるようになっている。冷却坩堝６の直上には黒鉛製の補助ヒーター１３が昇降可能に設けられ、下降した状態で冷却坩堝６内に挿入されるようになっている。

チャンバー１の底部に設けられた引出し口３の下方には、シリコンインゴット１２を支えながら下方へ引き出す引き抜き装置１４が設けられている。さらに、引出し口３の下方でチャンバー１の外部には、インゴットの切断手段（図示せず）が設けられ、チャンバー１外に引き出されてくるシリコンインゴット１２は所定の長さに適宜切断される。

通常、多結晶シリコンインゴットの電磁鋳造において、シリコン太陽電池の基板材として優れた性能を発揮させるには、溶融シリコンが凝固する際に液体と固体とを分離する固液界面における断面形状を安定して制御することが重要になる。前記図１に示すように、溶融したシリコンが下方に移動しながら鋳造される過程において、凝固するシリコンインゴットの冷却過程が固液界面の形状に影響を及ぼすことから、固液界面の形状が鋳造状態を示し、多結晶シリコンインゴット中の残留歪や残留応力を決定することになる。

シリコン太陽電池用基板では、残留歪や残留応力が可能なかぎり存在しないことが望ましいことから、太陽電池用の多結晶シリコンインゴットの電磁鋳造では、溶融シリコンの固液界面における形状は可能なかぎり平坦にすることが望ましい。また、前述の通り、固液界面の形状は、凝固するシリコンインゴットの冷却条件の影響を受けることから、凝固が進行する液体および固体が存在する系における熱の移動、並びに液体および固体がそれらの表面を通して受ける加熱および冷却の諸条件によって決定される。

ところが、前記図１に示すように、従来の電磁鋳造によるシリコン鋳造装置においては、シリコンインゴットの冷却を促進させることによって凝固および凝固速度を制御することについて配慮がなされておらず、専ら、鋳造される凝固シリコンの保温が意図され、凝固シリコン表面に対する加熱手段（加熱炉）のみが用いられていた。このため、溶融シリコンの固液界面における形状を安定して、平坦に制御するのが困難になる。

具体的には、従来の電磁鋳造によるシリコン鋳造装置では、シリコンインゴットを徐冷するために設置した加熱手段には、シリコンインゴットの引き下げ方向に沿う熱伝達を抑止する手段が設けられていない。このため、水冷坩堝の下部に連設される上方の加熱手段から、下方に位置する加熱手段への熱伝達が存在することになる。

したがって、従来のシリコン鋳造装置では、シリコンインゴットを徐冷するために設置された加熱手段により、凝固したシリコンインゴットの保温効果を高めることができるが、鋳造速度を速くした場合には、上方の加熱手段では凝固シリコンの表面からの受熱により高温になるが、下方への熱伝達を抑止する手段がないため、下方に隣接する加熱手段に熱伝達が行われ、下方の加熱手段が高温になる。
このため、凝固したシリコンインゴットを冷却するために設定した温度勾配が消失し、溶融シリコンの固液界面における形状が過度に下方向に突出した半円球形状、または円錐形状となり、未凝固のシリコン融液部の中心部が深くなる。

このシリコン融液部の中心部は、鋳造速度を大きくすると著しく深くなり、鋳造状態が不安定になることから、凝固後のシリコンインゴットには大きな残留歪と残留応力が存在することになる。さらに、このようにシリコン融液部の中心部の深さが増大すれば、固液界面における形状の安定性が失われ、極端な場合には、溶融シリコンが坩堝底部を外れた下方において、インゴットの凝固側面を局所的に破壊し、溶融シリコンの吐出（湯漏れ）を発生することがある。

このような理由から、従来の電磁鋳造によるシリコン鋳造装置においては、鋳造されたシリコンインゴットの残留歪および残留応力を減少させることに限界があり、電磁鋳造によるシリコンインゴットから得られた太陽電池用シリコン基板の光電変換効率は十分なものとは言えなかった。また、電磁鋳造の際に鋳造速度を高めることにも制限があり、鋳造装置当たりの生産性にも限界があった。

本発明は、上述した問題を解決するためになされたものであり、電磁誘導によるシリコンの鋳造に際し、シリコンインゴットの内部に存在する残留歪および残留応力を減少させるとともに、高い生産性でシリコンインゴットを製造することのできるシリコン鋳造装置、および太陽電池用として光電変換効率に優れるシリコン基板の製造方法を提供することを目的としている。

本発明のシリコン鋳造装置における、第１の構成は、軸方向の少なくとも一部が周方向で複数に分割された導電性の冷却坩堝と、この冷却坩堝を取り囲む誘導コイルを設け、電磁誘導により溶融したシリコンを下方に引き下げて凝固させるシリコンの鋳造装置において、前記冷却坩堝の下方で、かつ同芯に、前記凝固シリコンに対する加熱手段と冷却手段とを単数組または複数組で交互に配置し、前記冷却坩堝の直下に加熱手段を設置することを特徴としている。
第１の構成では、加熱手段が複数段の加熱炉からなり、当該加熱炉が耐火物で構成されること、または冷却手段が複数段で構成され、冷却水を流通させる冷却管構造であることが望ましい。

本発明のシリコン鋳造装置における、第２の構成は、軸方向の少なくとも一部が周方向で複数に分割された導電性の冷却坩堝と、この冷却坩堝を取り囲む誘導コイルを設け、電磁誘導により溶融したシリコンを下方に引き下げて凝固させるシリコンの鋳造装置において、前記冷却坩堝の下方で、かつ同芯に、前記凝固シリコンに対する加熱手段とこの加熱手段からの伝熱を遮蔽する断熱手段とを単数組または複数組で交互に配置し、前記冷却坩堝の直下に断熱手段を設置することを特徴としている。
第２の構成では、加熱手段が複数段の熱遮蔽炉からなり、当該熱遮蔽炉が伝熱を遮蔽する遮蔽板を配置して構成されていること、または断熱手段が耐火物で構成され、または／および加熱手段の間隙を形成する空間で構成され、複数段に配置されることが望ましい。

本発明の製造方法は、上記第１、２の構成からなるシリコン鋳造装置を用いて多結晶シリコンインゴットを育成した後、当該シリコンインゴットから切り出して太陽電池用シリコン基板を得ることを特徴としている。

本発明のシリコン鋳造装置によれば、電磁誘導によるシリコンの鋳造に際し、シリコンインゴットの引き下げ方向に沿う温度勾配を有効に付与できるので、溶融シリコンの固液界面における形状を安定して平坦に保持することが可能であり、残留歪および残留応力を減少させたシリコンインゴットを鋳造することができ、同時に鋳造速度を高めて鋳造装置当たりの生産性を向上させることが可能になる。
また、本発明のシリコン基板の製造方法によれば、上記残留歪および残留応力を減少させたシリコンインゴットから切り出すことにより、光電変換効率に優れる太陽電池用シリコン基板を得ることができる。

図１は、電磁鋳造による多結晶シリコンインゴットを鋳造する全体構成を説明する図である。
図２は、実施例１で採用したシリコン鋳造装置の要部（冷却坩堝および加熱手段等）の部分断面の構成を模式的に説明する図である。
図３は、実施例２で採用したシリコン鋳造装置の要部（冷却坩堝および加熱手段等）の部分断面の構成を模式的に説明する図である。
図４は、実施例３で採用したシリコン鋳造装置の要部（冷却坩堝および加熱手段等）の部分断面の構成を模式的に説明する図である。
図５は、比較例で採用したシリコン鋳造装置の要部（冷却坩堝および加熱手段）の部分断面の構成を模式的に説明する図である。
図６は、実施例１〜３および比較例で用いたシリコン鋳造装置の加熱手段における温度分布を示す図である。

本発明のシリコン鋳造装置では、電磁誘導による溶融シリコンの鋳造を行うため、内圧が制御可能な密閉容器となるチャンバー内に、軸方向の少なくとも一部が周方向で複数に分割された導電性の冷却坩堝を設置し、この冷却坩堝の周囲を取り囲むように誘導コイルを設け、電磁誘導により溶融したシリコンを下方に引き下げ凝固させる構成を前提としている。

本発明のシリコン鋳造装置における第１の形態では、電磁誘導により溶融したシリコンを収容する冷却坩堝の下方で、かつ同芯に、凝固させたシリコンに対する加熱手段と冷却手段とを交互に配置したことを特徴とする。

このように、加熱手段と冷却手段を交互に配置することにより、シリコンインゴットの引き下げ方向に沿って保温作用と抜熱作用を交互に発揮させることができる。これと同時に、上方の加熱手段と下方の加熱手段との間に冷却手段を挟むことにより、上方の加熱手段から下方の加熱手段への熱伝達が抑止され、下方の加熱手段の設定温度が異常に上昇することがない。
これにより、適切な温度制御が可能であり、凝固インゴットを冷却するために最適な温度勾配を付与することができる。このため、溶融シリコンの固液界面における形状を安定して平坦にでき、残留歪および残留応力を減少させたシリコンインゴットを鋳造することができるとともに、インゴットの凝固速度を速めることができる。

本発明のシリコン鋳造装置における第２の形態では、電磁誘導により溶融したシリコンを収容する冷却坩堝の下方で、かつ同芯に、凝固させたシリコンに対する加熱手段とこの加熱手段からの伝熱を遮蔽する断熱手段とを交互に配置したことを特徴とする。

このように、凝固シリコンに対する加熱手段とこの加熱手段からの伝熱を遮蔽する断熱手段とを交互に配置することにより、上方の加熱手段と下方の加熱手段との間に断熱手段を設けることになり、上方の加熱手段から下方の加熱手段への熱伝達が抑止され、下方の加熱手段の設定温度が異常に上昇することがない。
このため、断熱手段によって隔離された各加熱手段において温度制御が可能になり、シリコンインゴットの引き下げ方向に沿って温度勾配を有効に付与できる。これにより、溶融シリコンの固液界面における形状を安定的に平坦化でき、残留歪および残留応力を減少させたシリコンインゴットを鋳造することができるとともに、インゴットの凝固速度を速めることができる。

本発明のシリコン鋳造装置における加熱手段としては、後述する実施例に示すように、耐火物で構成される加熱炉、または熱遮蔽板を配置する熱遮蔽炉のいずれであってもよい。温度制御に関しては、熱遮蔽炉が温度変化に対する応答性に優れることから、耐火物で構成される加熱炉に比べ良好である。

本発明のシリコン鋳造装置では、それぞれの加熱手段が独立に出力制御できるようにすることが望ましく、発熱体としては抵抗加熱方式および高周波加熱方式など慣用される手法を採用することができる。発熱体の適用材質としては、耐熱性およびコストの点からは、黒鉛製の抵抗加熱ヒータを採用するのが望ましい。

本発明のシリコン鋳造装置における冷却手段としては、上方の加熱手段から下方の加熱手段への熱伝達が抑止され配管内に冷媒として水またはガスを流通させた冷却管方式を用いることがより簡便であるが、何らこれに限定されるものではなく、その他の冷却手段として慣用されている手段であればよい。

本発明のシリコン鋳造装置における断熱手段は、上方の加熱手段から下方の加熱手段への熱伝達を抑止する機能を発揮すればよく、耐熱性に優れる金属（ステンレス、モリブデン等）で構成することが望ましく、シリカやアルミナ質の耐火物で表面を覆うことが望ましい。さらに、本発明のシリコン鋳造装置では、断熱手段として加熱手段の間隙を形成する空間で構成してもよい。

本発明のシリコン鋳造装置における加熱手段、冷却手段、および断熱手段の設置数（段数）は、使用する装置の大きさおよび目的とするシリコンインゴットの大きさに応じて適宜選定される。

本発明のシリコン基板の製造方法では、上記のシリコン鋳造装置によって多結晶シリコンインゴットを育成した後、当該シリコンインゴットから切り出して太陽電池用シリコン基板を得ることを特徴としている。上記残留歪および残留応力を減少させたシリコンインゴットから切り出すことにより、光電変換効率に優れる太陽電池用シリコン基板を得ることができる。

本発明の製造方法において、シリコンインゴットから太陽電池用シリコン基板を切り出す手段として、慣用されているマルチ・ワイヤ・ソーやマルチ・ブレード・ソーを活用することができる。シリコン基板の厚みは基板の強度および光電変換効率の観点から１００〜４５０μｍ程度とするのが望ましい。

本発明のシリコン鋳造装置による効果を確認するため、前記図１に示すように、内圧が制御可能な密閉容器を構成するチャンバー１内に、軸方向の少なくとも一部が周方向で複数に分割された導電性の冷却坩堝６を設置し、この冷却坩堝６の周囲を取り囲むように誘導コイル７を設け、電磁誘導により溶融したシリコンを下方に引き下げて凝固させる鋳造装置を用いて、次の実施例１〜３および比較例によるシリコン電磁鋳造を行った。

（実施例１）
図２は、実施例１で採用したシリコン鋳造装置の要部（冷却坩堝および加熱手段等）の部分断面の構成を模式的に説明する図である。実施例１では、冷却坩堝６とこれを取り囲む誘導コイル７を設置して、冷却坩堝６の直下から凝固シリコン１２の引き下げ方向に沿って１〜８段の加熱手段１５と１〜８段の冷却手段１７とを交互に設置した。図２において、冷却坩堝や冷却手段での冷却水の取り入れ・取り出し、誘導電源と誘導コイルの連結、加熱手段や冷却手段の取り付け、発熱体の取り付けと電気的連結等の詳細な図示は省略した。後述する図３〜５においても同様とする。

本発明のシリコン鋳造装置では、シリコンインゴット１２の断面形状は円形、正方形、または長方形にすることができるが、太陽電池用のシリコンインゴットでは正方形が一般的であることから、実施例１では、その断面形状を正方形とし、その一辺の長さを１６ｃｍとした。すなわち、冷却坩堝６の引き下げ方向に直交する断面の内側寸法を、溶融シリコン１１の凝固が開始する位置において１６ｃｍとした。

冷却坩堝６の直下に１段目の加熱手段１５として、高さが１６ｃｍの加熱炉を設置した。加熱炉はステンレス鋼材を用いて骨組みし、その炉体はシリカ・アルミナ質の耐火物で構成した。発熱源として高さ９ｃｍおよび厚さ０．７ｃｍの黒鉛製の発熱体１６を用い、加熱炉高さの中心位置であって、凝固インゴット１２の側面と対面するように設置した。

この発熱体１６の上方および下方は厚さが１．５ｃｍのシリカ・アルミナ質の耐火物で覆い、１段目の加熱炉では内側寸法を１９ｃｍとし、シリコンインゴット１２の４側面を１．５ｃｍの離間を保って取り囲んだ。この発熱体１６は通電によって最高出力を３ｋＷとし、４側面の合計出力で１２ｋＷの発熱が可能になるように構成した。

上記１段目の加熱手段１５の下方には、１段目の冷却手段１７を設置した。冷却手段１７は厚さ０．２ｃｍの銅板を用いて、高さ４ｃｍ、内側寸法１９ｃｍ、外側寸法２９ｃｍの角筒状として、シリコンインゴット１２を取り囲むように構成した。この冷却手段１７は冷却水出入口で冷却水供給パイプと連結されており、冷却水を循環する。

上記１段目の冷却手段１７の下方には、２段目の加熱手段１５を隣接して設置した。２段目の加熱手段１５としては、１段目の加熱手段１５と同一の構造からなる加熱炉で構成した。さらに、２段目の加熱手段の下方には２段目の冷却手段１７を隣接して設置した。２段目の冷却手段１７は１段目の冷却手段１７と同一の構造からなる角筒状の冷却管構造で作製した。

２段目の加熱手段１５および冷却手段１７以降は、上記と同様の構成で、加熱手段１５と冷却手段１７をそれぞれが合計で８段になるように交互に設置した。しかし、４段目の加熱手段１５以降の発熱体１６では、最大出力を１ｋＷとし、１段当たりの加熱炉の最大発熱量をシリコンインゴット１２の４側面の合計で４ｋＷとした。

実施例１では、上述の装置構成からなるシリコン鋳造装置を用い、最初に、引き下げ方向に直交する断面形状の一辺が１６ｃｍの黒鉛製の台座を、その上面が誘導コイル７の下端位置と同一になるように冷却坩堝６に下方から挿入し、この台座の上に６．０ｋｇのシリコン塊を装入した。

次いで、前記図１に示すように、装入したシリコン塊から２ｃｍ上方に、断面形状が正方形で、その一辺が１４ｃｍ、高さが５ｃｍの黒鉛製の補助ヒーター１３を上方から挿入した。チャンバー１内を真空ポンプによって０．１Ｔｏｒｒまで減圧した後、アルゴンガスを大気圧まで送入し、周波数２０ｋＨｚの交流電流を誘導コイル７に出力２５０ｋＷまで印加した。

誘導コイル７への通電を開始すると、シリコン塊の上方に挿入された補助ヒーター１３が誘導発熱して昇温して赤色になり、次に装入されたシリコン塊が補助ヒーター１３の輻射熱によって昇温される。その後、装入されたシリコン塊の温度が約６００℃になると、半導体であるシリコン塊の電気抵抗値が低下し、シリコン塊中の誘導電流が増加して自己発熱を開始した。

シリコン塊が自己発熱を開始すると同時に、黒鉛製の補助ヒーター１３を冷却坩堝６から上方に引き上げて抜き出した。自己発熱を開始したシリコン塊はさらに昇温して、完全に溶解し溶融シリコン１１となる。冷却坩堝６内の溶融シリコン１１は、冷却坩堝６の内面壁と対面する側面は電磁気力を受けて離間することから、冷却坩堝６とは非接触の状態で収容される。

一方、上記の手順でシリコンの溶解を開始するとともに、冷却坩堝６の下方に設置した１〜８段目の加熱炉の昇温も開始し、同時に冷却手段１７に冷却水を循環させた。１〜８段目の加熱炉の温度設定は、１段目の加熱炉では１２５０℃、各１段下方の加熱炉では１段上方の加熱炉よりも順次１２０℃低く設定して、最も下方の８段目の加熱炉では４１０℃に設定した。各加熱炉の温度測定は、各加熱炉における高さ方向の中心位置で、シリコンインゴット１２の側面と発熱体１６の間の中間点に配置した熱電対で測定した。

装入したシリコン塊が完全に溶解し、溶融シリコン１１として安定的に保持された後、上方に位置する原料供給装置１０から粒状のシリコンを冷却坩堝６に連続的に装入しながら、溶融シリコン１１を保持している黒鉛製の台座を下降させて鋳造を開始し、シリコンインゴット１２の全長が２００ｃｍになった時点で鋳造を停止した。実施例１では、鋳造速度を毎分２．０ｍｍとした。

シリコン鋳造を開始した初期の段階では、各加熱炉の温度制御のための電力所要量は、１段目の加熱炉では約１０ｋＷ、２段目の加熱炉では約７ｋＷ、３段目以下の加熱炉では１〜３ｋＷを消費した。

ところが、鋳造時間が経過して、引き下げられたシリコンインゴット１２が１〜８段目の加熱炉全体の長さよりも長くなると、各加熱炉の電力所要量は減少した。すなわち、１段目の加熱炉では約４ｋＷ、２段目の加熱炉では約３ｋＷ、３段目以下の加熱炉では１〜２ｋＷになって安定した。
また、１〜８段目の冷却手段１７には毎分５リットルの冷却水を循環させたが、冷却水の入口温度と出口温度の差は、１段目の冷却手段１７では２℃、他の段の冷却手段１７では１℃以下であった。

得られたシリコンインゴット１２をワイヤソーで切断して、太陽電池用基板を製作するため、多結晶シリコン基板を切り出した。多結晶シリコン基板は一辺が１２．５ｃｍの正方形で、厚さは０．３５ｍｍとした。実施例１によって鋳造されたシリコンインゴットの全長から均等に１００枚のシリコン基板を抜き取り、太陽電池用の基板を製作した。
太陽電池の製作工程では水素パッシベーション技術を用いて、それぞれのシリコン基板から太陽電池を製作した。実施例１で製作された太陽電池の光電変換効率の平均値は、１４．８％であった。

（実施例２）
図３は、実施例２で採用したシリコン鋳造装置の要部（冷却坩堝および加熱手段等）の部分断面の構成を模式的に説明する図である。実施例２では、冷却坩堝６とこれを取り囲む誘導コイル７を設置して、冷却坩堝６の直下に凝固シリコン１２の引き下げ方向に沿って加熱手段１５と断熱手段１８を交互に設置した。

実施例２では、シリコンインゴット１２の断面形状を正方形で、その一辺の長さを２２ｃｍとした。冷却坩堝６の直下で、冷却坩堝６と1段目の加熱手段１５との間に厚さ２ｃｍのアルミナ質の材料で作製した１段目の断熱手段１８を設置した。１段目の断熱手段１８に隣接する１段目の加熱手段１５として、高さが１８ｃｍの熱遮蔽炉を配置し、複数の金属製の熱遮蔽板１９を配して構成した。発熱源として１５ｃｍの高さと０．７ｃｍの厚さを持つ黒鉛製の発熱体１６を用い、シリコンインゴット１２の側面と熱遮蔽板１９の間に設置した。

１段目の加熱手段１５に用いられる熱遮蔽板１９は、厚さ１．５ｍｍの金属板であり、それぞれ1 ｃｍ間隔に配し合計で１０枚の金属板を設置した。発熱体１６に近接する最も内側の金属板はモリブデン製として、他の金属板はステンレス鋼製とした。また、１段目の加熱手段の発熱体１６は、通電による最大発熱量２０ｋＷとした。

上記１段目の加熱手段１５の下方には、２段目の断熱手段１８を設置した。２段目の断熱手段１８は、１段目の断熱手段１８と同一の材料を用いて同じ大きさとし、厚さが２ｃｍであり、シリコンインゴット１２を取り囲む内側寸法を２５ｃｍとし、幅を１７ｃｍとした。断熱手段１８の幅は、上下に隣接する熱遮蔽炉と同一寸法とした。２段目の断熱手段１８以降は、同様に加熱手段１５と断熱手段１８を引き下げ方向に沿って交互に設置して、合計で８段の熱遮蔽炉と９段の断熱手段１８を設置した。

実施例２では、上述のシリコン鋳造装置の構成において、２段目の熱遮蔽炉における最大発熱量を１０ｋＷとし、３段目以降の熱遮蔽炉における最大発熱量を５ｋＷとした。また、配置する熱遮蔽板１９は、１〜３段目の熱遮蔽炉で１０枚とし、４〜６段目の熱遮蔽炉で７枚とし、７〜８段目の熱遮蔽炉で４枚とした。

次に、上述の装置構成からなるシリコン鋳造装置を用い、シリコンの鋳造を実施した。初期装入したシリコン塊の溶解手順は、実施例１の場合と同様に、溶融シリコン１１を保持する黒鉛製の台座の寸法を一辺が２２ｃｍとし、冷却坩堝６に装入して、台座に初期装入するシリコン塊を１１ｋｇ装入した。さらに、装入したシリコン塊の上面に、断面形状が正方形で、その一辺が２０ｃｍの黒鉛製の補助ヒーター１３を装入した。

さらに、チャンバー１内をアルゴンガスで置換した後、周波数２０ｋＨｚの交流電流を誘導コイル７に出力３５０ｋＷまで通電した。実施例１の場合と同様に、シリコンの溶解が開始するのにともない、冷却坩堝６の下方に加熱手段１５として設置された、１〜８段目の熱遮蔽炉の昇温を開始した。

熱遮蔽炉の温度設定は、１段目の加熱炉では１２６０℃とし、各１段下方の加熱炉では１段上方の加熱炉よりも順次１１０℃低く設定して、最も下方の８段目の加熱炉では４９０℃とした。各熱遮蔽炉での温度測定は、実施例１の場合と同様に、シリコンインゴット１２の側面と発熱体１６の間の中間点に配置した熱電対で測定した。

装入したシリコンが溶解し、溶融シリコン１１として安定的に保持された後、原料シリコンを装入しながら、溶融シリコン１１を保持する黒鉛製の台座を下降させてシリコン鋳造を開始し、シリコンインゴット１２の全長が２００ｃｍになった時点で鋳造を停止した。実施例２における鋳造速度は、毎分２．０ｍｍとした。

鋳造を開始した初期の段階では、各熱遮蔽炉の温度制御のための電力所要量は１段目の熱遮蔽炉では約１８ｋＷ、２段目の熱遮蔽炉では約１０ｋＷ、３段目以降の熱遮蔽炉では１〜５ｋＷを消費した。しかし、時間が経過してシリコンインゴット１２が１〜８段目までの熱遮蔽炉全体の長さよりも長くなると、各熱遮蔽炉の電力所要量は減少し、１段目の熱遮蔽炉では約７ｋＷ、２段目の熱遮蔽炉では約４ｋＷ、３段目以下の熱遮蔽炉では１〜２ｋＷになって安定した。

得られたシリコンインゴット１２をワイヤーソーで切断して、太陽電池用基板を製作するための多結晶シリコン基板を切り出した。多結晶シリコン基板の大きさは一辺が１０ｃｍで厚さ０．３５ｍｍの正方形の多結晶シリコン基板を切り出した。実施例２によって鋳造されたシリコンインゴットの全長から均等に１００枚のシリコン基板を抜き取り、太陽電池用の基板を製作した。
実施例１の場合と同様に、太陽電池の製作工程では水素パッシベーション技術を用いて、それぞれのシリコン基板から太陽電池を製作した。実施例２で製作された太陽電池の光電変換効率の平均値は、１４．８％であった。

（実施例３）
図４は、実施例３で採用したシリコン鋳造装置の要部（冷却坩堝および加熱手段等）の部分断面の構成を模式的に説明する図である。実施例３では、冷却坩堝６とこれを取り囲む誘導コイル７を設置して、冷却坩堝６の直下に凝固シリコン１２の引き下げ方向に沿って、加熱手段１５、並びに断熱手段１８および断熱手段としての空間２０を交互に設置した。

実施例３では、シリコンインゴット１２の断面形状は正方形で、その一辺の長さは２２ｃｍとした。冷却坩堝６直下で、冷却坩堝６と1段目の加熱手段１５との間に厚さ２ｃｍのアルミナ質の材料で作製した１段目の断熱手段１８を設置した。１段目の断熱手段１８に隣接する１段目の加熱手段１５として、高さが１８ｃｍの熱遮蔽炉を配置し、複数の金属製の熱遮蔽板１９を配して構成した。発熱源として１５ｃｍの高さと０．７ｃｍの厚さを持つ黒鉛製の発熱体１６を用い、シリコンインゴット１２の側面と対向するように設置した熱遮蔽版１９とその他の熱遮蔽板１９の間に設置した。

１段目の加熱手段１５に用いられる熱遮蔽板１９は、厚さ１．５ｍｍの金属板であり、それぞれ1 ｃｍ間隔に配し合計で１０枚の金属板を設置し、さらにシリコンインゴット１２と発熱体１６の間に１枚の金属板を設置した。その結果、熱遮蔽板１９は合計で１１枚が用いられた。シリコンインゴット１２と発熱体１６の間に設置された金属板および発熱体１６に近接し最も内側の金属板はモリブデン製とし、他の金属板はステンレス鋼製とした。また、１段目の加熱手段の発熱体１６は、通電による最大発熱量２０ｋＷとした。

１段目の加熱手段１５の下方には、２段目の断熱手段としての空間２０を設けた。具体的には、２段目の断熱手段としての空間２０は、１段目の加熱手段１５と２段目の加熱手段１５とが１．５ｃｍ離間するように構成した。２段目の加熱手段１５以降は、同様に加熱手段１５と断熱手段としての空間２０とを引き下げ方向に沿って交互に設置して、１〜８段の熱遮蔽炉、１段の断熱手段１８および１〜７段の断熱手段としての空間２０を設置した。

実施例３では、上述のシリコン鋳造装置の構成において、２段目の熱遮蔽炉における最大発熱量を１０ｋＷとし、３段目以降の熱遮蔽炉における最大発熱量を５ｋＷとした。また、配置する熱遮蔽板１９は、１〜３段目の熱遮蔽炉で１１枚とし、４〜６段目の熱遮蔽炉で８枚とし、７〜８段目の熱遮蔽炉で５枚とした。

次に、上述の装置構成からなるシリコン鋳造装置を用い、シリコンの鋳造を実施した。初期装入したシリコン塊の溶解手順は、実施例１の場合と同様に、溶融シリコン１１を保持する黒鉛製の台座の寸法を一辺が２２ｃｍとし、冷却坩堝６に装入して、台座に初期装入するシリコン塊を１１ｋｇ装入した。さらに、装入したシリコン塊の上面に、断面形状が正方形で、その一辺が２０ｃｍの黒鉛製の補助ヒーター１３を装入した。

さらに、チャンバー１内をアルゴンガスで置換した後、周波数２０ｋＨｚの交流電流を誘導コイル２に出力３５０ｋＷまで通電した。実施例１の場合と同様に、シリコンの溶解が開始するのにともない、冷却坩堝６の下方に加熱手段１５として設置された、１〜８段目の熱遮蔽炉の昇温を開始した。

熱遮蔽炉の温度設定は、実施例２の場合と同様であり、１段目の加熱炉では１２６０℃とし、各１段下方の加熱炉では１段上方の加熱炉よりも順次１１０℃低く設定して、最も下方の８段目の加熱炉では４９０℃とした。各熱遮蔽炉での温度測定は、実施例１の場合と同様に、シリコンインゴット４の側面と発熱体１６の間の中間点に配置した熱電対で測定した。

装入したシリコンが溶解し、溶融シリコン１１として安定的に保持された後、原料シリコンを装入しながら、溶融シリコン１１を保持する黒鉛製の台座を下降させてシリコン鋳造を開始し、シリコンインゴット１２の全長が２００ｃｍになった時点で鋳造を停止した。実施例３における鋳造速度は毎分１．７ｍｍとした。

鋳造を開始した初期の段階では、各熱遮蔽炉の温度制御のための電力所要量は１段目の熱遮蔽炉では約２０ｋＷ、２段目の熱遮蔽炉では約１２ｋＷ、３段目以降の熱遮蔽炉では１〜５ｋＷを消費した。しかし、時間が経過してシリコンインゴット１２が１〜８段目までの熱遮蔽炉全体の長さよりも長くなると、各熱遮蔽炉の電力所要量は減少し、１段目の熱遮蔽炉では約８ｋＷ、２段目の熱遮蔽炉では約５ｋＷ、３段目以下の熱遮蔽炉では１〜２ｋＷになって安定した。

得られたシリコンインゴット１２をワイヤーソーで切断して、太陽電池用基板を製作するための多結晶シリコン基板を切り出した。多結晶シリコン基板の大きさは一辺が１０ｃｍで厚さ０．３５ｍｍの正方形の多結晶シリコン基板を切り出した。実施例３によって鋳造されたシリコンインゴットの全長から均等に１００枚のシリコン基板を抜き取り、太陽電池用の基板を製作した。
実施例１の場合と同様に、太陽電池の製作工程では水素パッシベーション技術を用いて、それぞれのシリコン基板から太陽電池を製作した。実施例２で製作された太陽電池の光電変換効率の平均値は、１４．８％であった。

（比較例）
図５は、比較例で採用したシリコン鋳造装置の要部（冷却坩堝および加熱手段）の部分断面の構成を模式的に説明する図である。比較例では、冷却坩堝６とこれを取り囲む誘導コイル７を設置して、冷却坩堝６の直下に凝固シリコン１２の引き下げ方向に沿って８段の加熱手段１５を配置した。

シリコンインゴット１２の断面形状は正方形で、その一辺の長さは１６ｃｍとし、冷却坩堝６直下の加熱手段１５は、高さが２０ｃｍの加熱炉を８段で隣接させて配設した。加熱炉はステンレス鋼材を用いて骨組みし、その炉体はシリカ・アルミナ質の耐火物で構成した。発熱源として高さ１４ｃｍおよび厚さ０．７ｃｍの黒鉛製の発熱体１６を用い、加熱炉高さの中心位置であって、凝固インゴット１２の側面と対面するように設置した。

この発熱体１６の上方および下方は厚さが１．５ｃｍのシリカ・アルミナ質の耐火物で覆い、１段目の加熱炉では内側寸法を１９ｃｍとし、シリコンインゴット１２の４側面を１．５ｃｍの離間を保って取り囲んだ。この発熱体１６は通電によって最高出力を３ｋＷとし、４側面の合計出力で１２ｋＷの発熱が可能になるように構成した。しかし、全加熱炉のうち３〜８段目の加熱炉では、発熱体１６の最高発熱量は１ｋＷとし、加熱炉当たりの最高発熱量を４ｋＷとした。

比較例では、上述の装置構成からなる図５に示すシリコン鋳造装置を用いて、シリコンの鋳造を実施した。初期装入したシリコン塊の溶解手順は、実施例１の場合と同様とし、黒鉛製の台座を冷却坩堝６に挿入し、この台座の上に６．０ｋｇのシリコン塊を装入した。

装入したシリコン塊から２ｃｍ上方に、断面形状が正方形で、その一辺が１４ｃｍ、高さが５ｃｍの黒鉛製の補助ヒーター１３を挿入し、チャンバー１内を減圧した後にアルゴンガスを大気圧まで送入し、周波数２０ｋＨｚの交流電流を誘導コイル２に出力２５０ｋＷまで印加した。

補助ヒーター１３を誘導発熱させた後、シリコン塊が自己発熱を開始すると同時に、補助ヒーター１３を上方に引き抜き、自己発熱を開始したシリコン塊はさらに昇温させて完全に溶解し、溶融シリコンとして冷却坩堝６に非接触の状態で収容した。

一方、シリコンの溶解にともない、冷却坩堝６の下方に設置した１〜８段目の加熱炉の昇温も開始した。前記図５に示す装置構成では、引き下げ方向に沿う温度勾配を各加熱炉間で直線的に降下させることが困難であるために、1段目の加熱炉での温度を１２５０℃、さらに８段目の加熱炉での温度を４１０℃に設定した。そして、２〜７段目の加熱炉での設定温度は、上方に設置した加熱炉の設定温度を超えないように経時的に変更した。また、加熱炉の温度測定は、高さ方向の中心位置でシリコンインゴット１２の側面と発熱体１６の間の中間点に配置した熱電対で測定した。

比較例では、鋳造速度を毎分１．３ｍｍとした。実施例１と同様な手順で、シリコン鋳造を開始し、シリコンインゴット１２の全長が２００ｃｍになった時点で鋳造を停止した。鋳造を開始した初期の段階での電力所要量は、１段目の加熱炉では約１０ｋＷ、２段目の加熱炉では約２ｋＷ、３〜８段目の加熱炉では１ｋＷを消費した。しかし、時間が経過して鋳造されたシリコンインゴット１２が１〜８段目の加熱炉全体の長さよりも長くなると、各加熱炉の電力所要量は大幅に減少した。
すなわち、１段目の加熱炉では約４ｋＷであり、２段目〜６段目までの５つの加熱炉ではまったく電力消費はなく、７段目の加熱炉では約１ｋＷ、８段目の加熱炉では約２ｋＷが消費された。

得られたシリコンインゴット１２をワイヤーソーで切断して、太陽電池用基板を製作するための多結晶シリコン基板を切り出した。多結晶シリコン基板の大きさは一辺が１２．５ｃｍで厚さ０．３５ｍｍの正方形の多結晶シリコン基板を切り出した。比較例によって鋳造されたシリコンインゴットの全長から均等に１００枚のシリコン基板を抜き取り、太陽電池用の基板を製作した。
実施例１の場合と同様に、太陽電池の製作工程では水素パッシベーション技術を用いて、それぞれのシリコン基板から太陽電池を製作した。比較例で製作された太陽電池の光電変換効率の平均値は、１４．２％であった。

（鋳造速度および光電変換効率の比較）
上述の実施例の結果から明らかなように、本発明で規定するシリコン鋳造装置を用いた実施例１〜３では、比較的速い鋳造速度を確保できるとともに（毎分１．７〜２．０ｍｍ）、得られたシリコンインゴットから作製された太陽電池の光電変換効率はいずれも優れた値であった（いずれも１４．８％）。

これに対し、１〜８段目の加熱炉を配置するシリコン鋳造装置を用いた比較例では、それほど速い鋳造速度を確保することができず（毎分１．３ｍｍ）、得られたシリコンインゴットから作製された太陽電池の光電変換効率も劣った値であった（１４．２％）。

（加熱手段での温度制御の比較）
図６は、実施例１〜３および比較例で用いたシリコン鋳造装置の加熱手段における温度分布を示す図である。加熱手段における温度測定は、加熱手段（加熱炉、または熱遮蔽炉）の高さ方向の中心位置であり、凝固シリコンの側面と発熱体との中間位置に配置した熱電対によって測定した。図６に示す温度分布は、鋳造されたシリコンインゴットが１段目の加熱炉から８段目の加熱炉に至る全体の距離を超えて引き下げられた時点における温度測定結果に基づいて示す。図中では、冷却坩堝の直下からの引き下げ距離（ｃｍ）も併せて示している。

図６に示す結果から、本発明で規定するシリコン鋳造装置を用いた実施例１では、１〜８段目の加熱炉における温度分布は、凝固シリコンの引き下げ方向に沿って直線的に降下しており、望ましい温度制御が行われたことが示されている。これにより、残留歪および残留応力を減少させたシリコンインゴットを鋳造することができることが分かる。

さらに、本発明で規定するシリコン鋳造装置であって、加熱手段として熱遮蔽炉を用いた実施例２、３では、１〜８段目の熱遮蔽炉における温度分布は、実施例１に比べ、さらに直線的に降下しており、より望ましい温度制御が行われたことが分かる。
これは、熱遮蔽炉では輻射熱の伝播によって熱移動するために温度変化に対する応答速度が速いことに起因している。したがって、熱遮蔽炉の応答性は、耐火物固有の大きな熱伝達抵抗を利用する耐火物による加熱炉が温度変化に対し応答速度が緩慢であることと好対照となる。さらに、実施例２、３では、熱遮蔽炉の温度変化に対する応答性と、各熱遮蔽炉間に設けられた断熱手段による遮断効果によって、１〜８段目の熱遮蔽炉における温度制御が容易になる。

一方、１〜８段の加熱炉を配置するシリコン鋳造装置を用いた比較例では、各加熱炉の温度は凝固シリコンの引き下げが進行する領域の加熱炉で高くなり易く、また、引き下げ方向に設置された加熱炉のうちで、中間部の加熱炉の温度が高くなり易い傾向がある。これらが要因となり、望ましい温度制御は得られなかった。

産業上の利用の可能性

本発明のシリコン鋳造装置によれば、電磁誘導によるシリコンの鋳造に際し、凝固シリコンの引き下げ方向に沿って加熱手段と冷却手段とを交互に配置し、または加熱手段と断熱手段とを交互に配置することにより、加熱手段の温度制御が容易となり、凝固するシリコンインゴットに温度勾配を有効に付与することができるので、溶融シリコンの固液界面における形状を安定して保持することが可能であり、残留歪および残留応力を減少させたシリコンインゴットを鋳造することができる。さらに、鋳造速度を高めて鋳造装置当たりの生産性を向上させることができる。
また、本発明のシリコン基板の製造方法によれば、上記残留歪および残留応力を減少させたシリコンインゴットから切り出すことにより、光電変換効率に優れる太陽電池用シリコン基板を得ることができる。これにより、太陽電池用の多結晶シリコンインゴットの製造に広く適用することができる。

Claims (8)

1. 軸方向の少なくとも一部が周方向で複数に分割された導電性の冷却坩堝と、この冷却坩堝を取り囲む誘導コイルを設け、電磁誘導により溶融したシリコンを下方に引き下げて凝固させるシリコンの鋳造装置において、
   前記冷却坩堝の下方で、かつ同芯に、前記凝固シリコンに対する加熱手段と冷却手段とを単数組または複数組で交互に配置し、前記冷却坩堝の直下に加熱手段を設置することを特徴とするシリコン鋳造装置。
2. 前記加熱手段が複数段の加熱炉からなり、当該加熱炉が耐火物で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のシリコン鋳造装置。
3. 前記冷却手段が複数段で構成され、冷却水を流通させる冷却管構造であることを特徴とする請求項１または２に記載のシリコン鋳造装置。
4. 軸方向の少なくとも一部が周方向で複数に分割された導電性の冷却坩堝と、この冷却坩堝を取り囲む誘導コイルを設け、電磁誘導により溶融したシリコンを下方に引き下げて凝固させるシリコンの鋳造装置において、
   前記冷却坩堝の下方で、かつ同芯に、前記凝固シリコンに対する加熱手段とこの加熱手段からの伝熱を遮蔽する断熱手段とを単数組または複数組で交互に配置し、前記冷却坩堝の直下に断熱手段を設置することを特徴とするシリコン鋳造装置。
5. 前記加熱手段が複数段の熱遮蔽炉からなり、当該熱遮蔽炉が伝熱を遮蔽する熱遮蔽板を配置して構成されていることを特徴とする請求項４に記載のシリコン鋳造装置。
6. 前記断熱手段が耐火物で構成され、前記冷却坩堝の下方で複数段に配置されることを特徴とする請求項４または５に記載のシリコン鋳造装置。
7. 前記断熱手段が耐火物で構成され、または／および前記加熱手段の間隙を形成する空間で構成され、前記冷却坩堝の下方で複数段に配置されることを特徴とする請求項４または５に記載のシリコン鋳造装置。
8. 前記請求項１〜７のいずれかに記載のシリコン鋳造装置を用いて多結晶シリコンインゴットを育成した後、当該シリコンインゴットから切り出して太陽電池用シリコン基板を得ることを特徴とするシリコン基板の製造方法。

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